JP2007068088A

JP2007068088A - 応答器

Info

Publication number: JP2007068088A
Application number: JP2005254539A
Authority: JP
Inventors: 健治 ▲高▼橋; Kenji Takahashi; Kazuya Toki; 和哉鴇
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】回路規模を複雑化することなく送信ビーム制御によるアンテナ利得が得られるバンアッタアレーアンテナを用いて質問器との通信距離を拡大すること。
【解決手段】３組のアンテナ素子対「１０１ａ，１０１ｂ」「１０２ａ，１０２ｂ」「１０３ａ，１０３ｂ」はバンアッタアレーアンテナを構成している。質問器が無線送信する質問信号がアンテナ素子１０１ａ〜１０３ｂに受信されると、伝送線路１０９ａ〜１１１ｂに流れる高周波信号の一部が分配手段１１２ａ〜１１４ｂから整流部１１５に流れ込み、所定値の起電力が生成され、負荷変調部１０４に動作電源が供給される。これによって、負荷変調部１０４は、応答信号の生成動作を開始する。バンアッタアレーアンテナは、電波信号の受信方向に送信ビームを自動的に向ける機能を有するので、生成された応答信号は質問器に向けて送信される。
【選択図】図１

Description

本発明は、質問器が無線送信する質問信号に応答するパッシブ型の応答器に関し、特にＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）システムなどで用いる応答器に関する。

ＲＦＩＤシステムは、質問器からの要求に応じて、応答器に情報を書き込んだり、応答器から情報を読み出したりするワイヤレス方式の非接触自動識別管理システムであり、近年、ユビキタスネットワーク用の無線デバイスとして注目されている。このＲＦＩＤシステムで用いるパッシブ型の応答器は、無線受信した質問信号をエネルギー源として動作するタイプである。この種の応答器では、質問器との通信距離の拡大が課題の一つになっている。

ところで、例えばマイクロ波送電のような電力エネルギーの送電では、受電側がパイロット信号を送信し、送電側が受信したパイロット信号の到来方向に送信ビームを向けるレトロディレクティブ方式が採用されているが、このレトロディレクティブ方式を実現するアレーアンテナとして、対のアンテナ素子をアレーの中心を挟んで対称に配置するバンアッタアレーアンテナがある（例えば非特許文献１）。

図３は、バンアッタアレーアンテナの動作原理を説明する図である。図３では、３組のアンテナ素子対「３０１ａ，３０１ｂ」「３０２ａ，３０２ｂ」「３０３ａ，３０３ｂ」がアレーの中心３０４を挟んで対称に配置されている。そして、３組のアンテナ素子対「３０１ａ，３０１ｂ」「３０２ａ，３０２ｂ」「３０３ａ，３０３ｂ」それぞれの間ではアレーの中心３０４に至る伝送線路長は、全て等しくなっている。

この構成によれば、受信波を対のアンテナ素子間で交換して送信すると、位相関係がちょうど９０度逆転するので、受信波の到来方向に位相の揃った送信波を放射することができる。

そして、例えば特許文献１では、このようなバンアッタアレーアンテナを応答器に適用した例が開示されている（図４）。図４は、バンアッタアレーアンテナを適用した従来の応答器の構成例を示すブロック図である。

図４において、３組のアンテナ素子対「４０１ａ，４０１ｂ」「４０２ａ，４０２ｂ」「４０３ａ，４０３ｂ」がアレーの中心を挟んで対称に配置されている。アンテナ素子対「４０１ａ，４０１ｂ」は、それぞれ伝送線路４０４ａ，４０４ｂを介して双方向変調器４０５に接続されている。アンテナ素子対「４０２ａ，４０２ｂ」は、それぞれ伝送線路４０６ａ，４０６ｂを介して双方向変調器４０７に接続されている。アンテナ素子対「４０３ａ，４０３ｂ」は、それぞれ伝送線路４０８ａ，４０８ｂを介して双方向変調器４０９に接続されている。そして、双方向変調器４０５，４０７，４０９は、応答器固有のビット発生器４１０と接続されている。

ここで、伝送線路４０４ａ，４０６ａ，４０８ａは互いに等長であり、伝送線路４０４ｂ，４０６ｂ，４０８ｂは互いに等長である。双方向変調器４０５，４０７，４０９は、アンテナ素子４０１ａ，４０２ａ，４０３ａによる質問信号の受信捕捉・変調、及びアンテナ素子４０１ｂ，４０２ｂ，４０３ｂからの再送信、またはその逆を可能にする。

図４に示す応答器は、以上の構成により、質問器の方向に送信ビームを自動的に向けて応答信号を送信することができるので、通信距離の拡大が可能となる。

また、例えば特許文献２では、遠方に位置する質問器に対し安定して応答できる応答器の構成例が開示されている（図５）。図５は、遠方に位置する質問器に対し安定して応答できる従来の応答器の構成例を示すブロック図である。

図５において、第１のアンテナ５０１及び第２のアンテナ５０２は、図示しない質問器が無線送信する質問信号を受信する。第１のアンテナ５０１及び第２のアンテナ５０２に誘起される高周波信号は、まず、電力合成部５０３にて合成され整流部５０４に入り、整流部５０４にて直流の電気エネルギーに変換される。このようにして得られた電気エネルギーの供給により、当該応答器内の各デバイスは動作を開始する。

即ち、第１のレベル判定部５０５及び第２のレベル判定部５０６は、第１のアンテナ５０１及び第２のアンテナ５０２にて得られたそれぞれの受信信号レベルを判定する。比較部５０７は、これら２つレベル判定値を比較して受信信号レベルの方が大きいアンテナを検出し、その検出結果を第１の切替部５０８及び第２の切替部５０９に与える。

第１の復調部５１０は、第１のアンテナ５０１が受信した質問信号を復調し、その復調した第１の受信データを第１の切替部５０８に与える。同様に、第２の復調部５１１は、第２のアンテナ５０２が受信した質問信号を復調し、その復調した第２の受信データを第１の切替部５０８に与える。

第１の切替部５０８は、入力する第１の受信データと第２の受信データのうち、比較部５０７がより受信信号レベルがより大きいと判定した方のアンテナで受信した受信データを採用し、それをデータ処理部５１２に送出する。データ処理部５１２は、受信データを解析し、応答を行うべきであると判断すると、第２の切替部５０９に送信データを送出する。

第２の切替部５０９は、データ処理部５１２から受け取った送信データを、第１の変調部５１３及び第２の変調部５１４のうち、比較部５０７がより受信信号レベルがより大きいと判定した方のアンテナに接続される変調部に送出する。即ち、受信時により大きな信号レベルで質問信号を受信したアンテナは、質問器のアンテナに対して適した方向を向いており、電磁的結合が強いので、送信においても同じアンテナから応答信号を送出する。

このように、２本のアンテナの中から質問器に対して電磁的結合の強いものを選択し、そのアンテナで応答信号を送出するので、応答器が質問器に対してどのような向きに位置していても、安定して質問器に対して応答信号を到達させることができる。しかも、２本のアンテナで得られた電力を合成して電気エネルギーを得るので、多くの電気エネルギーを得ることができ、遠方に位置する質問器に対しても応答信号を到達させることができるようになる。
特開平６−２１４０１９号公報特開平１１−２６６１７６号公報電子情報通信学会編「アンテナ工学ハンドブック」第１版、第２２６頁、オーム社、１９８０年１０月３０日発行

しかしながら、特許文献１は、反射型の応答器への適用例である。これもパッシブ型ではあるが、本発明で言うパッシブ型応答器に必要とされる、受信した質問信号から起電力を生成する機構を持たない。つまり、バンアッタアレーアンテナを装備すれば、送信ビーム制御によるアンテナ利得が得られるので、質問器との通信距離を拡大できるが、バンアッタアレーアンテナの機能を損なうことなく、受信した質問信号から起電力を生成する機構を構成する必要があり、それをどのようにして構成するかが問題である。

また、特許文献２に開示される応答器では、部品点数が多く、２つのアンテナでの受信信号の電力合成では位相調整が必要であるので回路規模が複雑化するだけでなく、質問器との通信は、選択したアンテナ素子１本で行うので、送信ビーム制御によるアンテナ利得が得られない。そのため、消費電力が大きくなるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、回路規模を複雑化することなく送信ビーム制御によるアンテナ利得が得られるバンアッタアレーアンテナを用いて質問器との通信距離を拡大できるパッシブ型の応答器を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明に係る応答器は、電波信号の受信方向に送信ビームを自動的に向ける機能を有するバンアッタアレーアンテナと、前記バンアッタアレーアンテナを構成するアンテナ素子対間を接続する伝送線路の中央位置に挿入され、電源供給を受けて質問器が無線送信する質問信号に対する応答信号の生成動作を行い、生成した応答信号を前記伝送線路の双方に送出する応答信号生成手段と、前記応答信号生成手段の両側または片側の応答信号出力端と対応するアンテナ素子との間を接続する前記伝送線路に挿入され、当該伝送線路に流れる高周波信号を分岐出力する分配手段と、複数の前記分配手段が取り出した高周波信号を個別に整流して総和からなる起電力を生成し、前記応答信号生成手段に前記電源供給を行う整流手段とを具備する構成を採る。

この構成によれば、送信ビーム制御によるアンテナ利得が得られるバンアッタアレーアンテナを装備するとともに、そのバンアッタアレーアンテナを構成するアンテナ素子対の少なくとも一方のアンテナ素子の受信信号である高周波信号から当該応答器を駆動させる起電力を生成するので、回路規模を複雑化することなく質問器との通信距離を拡大できるパッシブ型の応答器を得ることができる。

本発明によれば、回路規模を複雑化することなく送信ビーム制御によるアンテナ利得が得られるバンアッタアレーアンテナを用いて質問器との通信距離を拡大できるパッシブ型の応答器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係る応答器の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態に係る応答器は、３組のアンテナ素子対「１０１ａ，１０１ｂ」「１０２ａ，１０２ｂ」「１０３ａ，１０３ｂ」で構成されるバンアッタアレーアンテナを装備している。

３組のアンテナ素子対「１０１ａ，１０１ｂ」「１０２ａ，１０２ｂ」「１０３ａ，１０３ｂ」それぞれの間を接続する伝送線路の中央位置には、応答信号の生成を行う負荷変調部１０４が設けられている。即ち、負荷変調部１０４は、負荷変調回路１０５，１０６，１０７と、これらを制御する制御部であるマイクロプロセッサ１０８とを備えている。アンテナ素子対「１０１ａ，１０１ｂ」は、それぞれ伝送線路１０９ａ，１０９ｂを介して負荷変調回路１０５に接続されている。アンテナ素子対「１０２ａ，１０２ｂ」は、それぞれ伝送線路１１０ａ，１１０ｂを介して負荷変調回路１０６に接続されている。アンテナ素子対「１０３ａ，１０３ｂ」は、それぞれ伝送線路１１１ａ，１１１ｂを介して負荷変調回路１０７に接続されている。

伝送線路１０９ａ，１１０ａ，１１１ａは互いに等長であるが、それらの途中には質問信号の受信によって流れる高周波信号を分岐出力する分配手段１１２ａ，１１３ａ，１１４ａが挿入されている。同様に、伝送線路１０９ｂ，１１０ｂ，１１１ｂは互いに等長であるが、それらの途中には質問信号の受信によって流れる高周波信号を分岐出力する分配手段１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂが挿入されている。

分配手段１１２ａ，１１３ａ，１１４ａ，１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂの各分岐出力は、整流部１１５に入力される。整流部１１５は、例えば図２に示すような構成によって入力する高周波信号を整流し、負荷変調部１０４に動作電源を供給する。即ち、負荷変調部１０４の各要素は、整流部１１５からの電源供給を受けて応答信号の生成動作を行う。

図２は、整流部の構成例を示す回路図である。例えば図２に示すように、整流部１１５は、分配手段１１２ａ，１１３ａ，１１４ａ，１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂの各分岐出力を並列に受ける検波回路２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０１ｅ，２０１ｆと、検波回路２０１ａの他方の出力端と検波回路２０１ｂの一方の出力端とを接続するインダクタ２０２ａ，検波回路２０１ｂの他方の出力端と検波回路２０１ｃの一方の出力端とを接続するインダクタ２０２ｂ，検波回路２０１ｃの他方の出力端と検波回路２０１ｄの一方の出力端とを接続するインダクタ２０２ｃ，検波回路２０１ｄの他方の出力端と検波回路２０１ｅの一方の出力端とを接続するインダクタ２０２ｄ，検波回路２０１ｅの他方の出力端と検波回路２０１ｆの一方の出力端とを接続するインダクタ２０２ｅとを備えている。

図２に示す整流部１１５では、並列に配置される検波回路２０１ａ〜２０１ｆは、相互間が、インダクタ２０２ａ〜２０２ｅによって、高周波的に分離されるとともに、直流的には直列に接続されるので、両外側に位置する検波回路２０１ａの一方の出力端２０３と検波回路２０１ｆの他方の出力端２０４との間に、検波回路２０１ａ〜２０１ｆの各検波電圧を加算した大きな電圧が現れる。これは、当該応答器を駆動するのに充分な起電力である。

以上の構成において、図示しない質問器が無線送信する質問信号がアンテナ素子１０１ａ〜１０３ｂに受信されると、伝送線路１０９ａ〜１１１ｂに流れる高周波信号の一部が分配手段１１２ａ〜１１４ｂから整流部１１５に流れ込み、所定値の起電力が生成され、負荷変調部１０４に動作電源が供給される。これによって、負荷変調部１０４は、応答信号の生成動作を開始する。

即ち、負荷変調部１０４では、マイクロプロセッサ１０８は、メモリを検索して自応答器に割り当てられている固有のＩＤ（識別子）データを取り出し、それを負荷変調回路１０５，１０６，１０７にそれぞれ与える。負荷変調回路１０５，１０６，１０７は、受け取ったＩＤデータの各ビットの論理値に従って搬送波をＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調した応答信号を生成し、対応するアンテナ素子への伝送線路に出力する。

バンアッタアレーアンテナは、図示しない質問器からの質問信号を受信したときにその受信方向に送信ビームを自動的に向ける性質を有するので、生成された応答信号は質問器に向かって送信される。

このように、本実施の形態によれば、送信ビーム制御によるアンテナ利得が得られるバンアッタアレーアンテナを装備するので、質問器との通信距離を拡大できる。このとき、当該応答器を駆動させる起電力を、バンアッタアレーアンテナを構成する各アンテナ素子対での受信信号である高周波信号を従来例のように位相調整して合成した後に整流するのではなく、個別に検波整流して加算するという方法で生成するので、回路規模を複雑化することなく起電力の生成が行える。

つまり、本実施の形態によれば、回路規模を複雑化することなく、送信ビーム制御によるアンテナ利得が得られるバンアッタアレーアンテナを用いて質問器との通信距離を拡大できるパッシブ型の応答器を実現することができる。

なお、本実施の形態では、質問器と応答器との通信方式はＡＳＫ方式を想定し、応答器には負荷変調器を搭載する構成としているが、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）変調器やＰＳＫ（Phase Shift Keying）変調器としても良い。これらは質問器と応答器との通信方式に対応して適宜に選択して搭載することができる。

また、本実施の形態では、分配手段は、バンアッタアレーアンテナを構成するアンテナ素子対毎に２つ設けたが、アンテナ素子対の一方のアンテナ素子に対して１つ設ける構成でも良い。

本発明に係る応答器は、質問器との通信距離を拡大するのに有用であり、特にＲＦＩＤシステムで用いるのに好適である。

本発明の一実施の形態に係る応答器の構成を示すブロック図図１に示す整流部の構成例を示す回路図バンアッタアレーアンテナの動作原理を説明する図バンアッタアレーアンテナを適用した従来の応答器の構成例を示すブロック図遠方に位置する質問器に対し安定して応答できる従来の応答器の構成例を示すブロック図

符号の説明

１０１ａ，１０１ｂアンテナ素子対
１０２ａ，１０２ｂアンテナ素子対
１０３ａ，１０３ｂアンテナ素子対
１０４負荷変調部
１０５，１０６，１０７負荷変調回路
１０８制御部（マイクロプロセッサ）
１０９ａ，１０９ｂ，１１０ａ，１１０ｂ，１１１ａ，１１１ｂ伝送線路
１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂ分配手段
１１５整流部
２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０１ｅ，２０１ｆ検波回路
２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ，２０２ｅインダクタ

Claims

電波信号の受信方向に送信ビームを自動的に向ける機能を有するバンアッタアレーアンテナと、
前記バンアッタアレーアンテナを構成するアンテナ素子対間を接続する伝送線路の中央位置に挿入され、電源供給を受けて質問器が無線送信する質問信号に対する応答信号の生成動作を行い、生成した応答信号を前記伝送線路の双方に送出する応答信号生成手段と、
前記応答信号生成手段の両側または片側の応答信号出力端と対応するアンテナ素子との間を接続する前記伝送線路に挿入され、当該伝送線路に流れる高周波信号を分岐出力する分配手段と、
複数の前記分配手段が取り出した高周波信号を個別に整流して総和からなる起電力を生成し、前記応答信号生成手段に前記電源供給を行う整流手段と、を具備する応答器。
前記整流手段は、複数の前記分配手段が取り出した高周波信号を並列に受けて検波整流動作を行う複数の検波回路と、前記複数の検波回路の片側出力端間を高周波的に分離し直流的に接続するインダクタの複数個と、を具備し、並列に配置される前記複数の検波回路の両外側に位置する２つの検波回路の片側出力端間に前記複数の検波回路の整流電圧を加算した起電力を生成することを特徴とする請求項１記載の応答器。